【仪表网 研发快讯】3月12日，国际顶级期刊Chemical Reviews在线刊发了我校集成电路学院王春栋教授团队关于钙钛矿型ABO3氧化物在能源转化方面的最新综述“Perovskite Type ABO3 Oxides in Photocatalysis，Electrocatalysis，and Solid Oxide Fuel Cells：State of the Art and Future Prospects”。集成电路学院王春栋、罗为教授和澳大利亚科廷大学邵宗平教授为共同通讯作者，学院原博士后Muhammad Humayun博士(现沙特阿拉伯利雅得苏丹王子大学助理教授)为论文第一作者，我校集成电路学院、武汉光电国家研究中心为论文第一完成单位。
图1.ABO3型钙钛矿A位和B位替位式掺杂/取代元素，通过对其进行调控，可实现高的电催化、光催化和燃料电池性能(左)。钙钛矿氧化物催化性能提升可行性策略(右)。
光催化和电催化技术对于应对能源和环境挑战至关重要，因此人们投入了大量精力来研究和开发先进的催化剂。其中，钙钛矿型 ABO3氧化物因其灵活的物理和化学性质而展现出非常有前景的催化活性。本文综述了钙钛矿型ABO3氧化物合成的基本原理和最新进展，详细讨论了电催化析氧反应(OER)、氧还原反应(ORR)、析氢反应(HER)、氮还原反应(NRR)、二氧化碳还原反应(CO2RR)和金属-空气电池的机理。此外，还综述了光催化分解水、CO2转化、污染物降解和固氮。文中亦强调了钙钛矿型ABO3氧化物在固体氧化物燃料电池(SOF)中的应用。最后，探讨了钙钛矿型ABO3氧化物在各个领域的应用前景，并展望了当前和未来面临的挑战。本文旨在全面概述钙钛矿型ABO3氧化物基催化剂的最新进展及其在能源转换和环境修复中的应用，并为这些热门研究领域的未来发展提供指导。
钙钛矿型ABO3氧化物因其独特的晶体结构、高化学和热稳定性以及可调节的结构而受到重视。理想情况下，单个钙钛矿型ABO3氧化物具有一个立方晶体晶胞(空间群Pm3m)，其结构由一个柔性框架组成，该框架由共享BO6八面体的角链(B 位阳离子与六个氧阴离子配位)组成，并且A位阳离子(12倍配位)占据立方八面体对称性的中心位置。A位阳离子(A2+)比B位阳离子(B4+)尺寸更大，而氧阴离子以O2-的形式存在。在钙钛矿型ABO3氧化物中，A位阳离子通常包括镧系元素、碱或碱土元素，而B位阳离子包括过渡金属，如Co、Mn、Cr、Fe、Ti和Ni。在A位点和B位点，均可以通过调整多种元素来改变其组成，这为钙钛矿材料的多样性特性提供了可能。大量的研究集中在通过掺杂不同元素取代A位点和B位点，从而开发具有高催化性能的新型功能材料。此外，由于钙钛矿的晶格畸变，其对称性可以调整为四方、斜方、单斜和菱面体结构，因为不同的阳离子具有不同的离子半径。晶格畸变极大地影响了钙钛矿的电子特性、晶场效应和偶极矩，最终影响电荷载流子的激发和转移，从而显著改变了催化性能。元素周期表突出显示了用于设计和合成一些重要的钙钛矿型 ABO3氧化物的元素组成。合成钙钛矿型ABO3氧化物时，通常优先选择某些具有适当氧化态的元素。这些氧化物中的A位通常包含较大的碱性或稀土金属(例如Ca、Sr、La等)，而B位通常包含较小的过渡金属(例如Ti、Mn、Fe等)。在元素周期表中突出显示这些元素展示了定制钙钛矿特性的丰富选择，这对于提升催化、能量转换和电子材料等各种应用的性能至关重要。
图2.(a)钙钛矿氧化物晶胞(ABX3)的示意图，以及(b)通过角共享八面体连接的钙钛矿氧化物的晶体结构。(c)理想的ABO3钙钛矿晶体结构在所有三个空间方向上都表现出倾斜。BO6八面体沿不同方向发生畸变，这降低了立方结构的对称性，从而形成替代晶体结构。正号表示同相旋转(c+)，而负号表示异相旋转(c–)，两者都发生在z轴周围。(d)元素周期表突出显示了用于设计和合成钙钛矿型ABO3氧化物的元素组成。
钙钛矿氧化物因其在能源转换和环境修复方面的潜在应用而被广泛研究。本综述全面回顾了钙钛矿型ABO3氧化物在各个领域的合成和优化及其最新进展。重要的是，催化剂的本征特性和工作条件对其整体催化性能起着重要作用。由于各种催化过程的反应系统存在差异，因此开发一种适用于所有催化剂的通用设计方法具有挑战性。然而，催化剂设计有一些总体规则需要遵守，特别是本体成分控制、电子结构优化、表面改性、异质结构制造、双功能优化、稳定性优化以及原位和原位表征的顺序。
该综述是王春栋团队在能源转化应用方面的阶段性研究成果。团队长期从事电催化的探索，近三年在能源转化研究方面取得了一系列研究成果。
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